方超 石海龍 葛鵬飛 馬驥 牛軍帥 柳毅

(中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司西南采氣廠，四川 宜賓 644000)

0 引言

得益于SCADA(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng))、BPCS(基本過程控制系統(tǒng))等自動控制系統(tǒng)在天然氣生產(chǎn)站場的大規(guī)模運用。絕大多數(shù)生產(chǎn)工藝參數(shù)如溫度、壓力、液位、閥位等都能實現(xiàn)實時動態(tài)記錄、趨勢生成、故障預(yù)警等功能，能夠讓我們精確到秒的觀察特定時間點的參數(shù)狀態(tài)。在天然氣TEG 脫水流程是一個有機的整體，每一項參數(shù)變化都會引起相關(guān)聯(lián)的參數(shù)變化(儀表故障除外)，所以通過生產(chǎn)流程各項參數(shù)整體統(tǒng)一的動態(tài)分析，能夠有效運用到生產(chǎn)裝置故障診斷中，通過已生成的變化反向推斷出現(xiàn)故障的原因，并及時的進行整改和治理?，F(xiàn)以浙江油田分公司西南采氣廠紫金壩集氣增壓脫水站(采用三甘醇工藝脫水)為驗證對象，進行應(yīng)用工作的開展。

1 TEG脫水裝置工藝分析

1.1 工藝流程分解

紫金壩集氣增壓脫水站是中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化頁巖氣處理站，脫水裝置為常規(guī)型三甘醇脫水裝置[1]。根據(jù)其工藝原理和功能可將分為以TEG 吸收塔為主的天然氣脫水裝置和以TEG 再生器為主的TEG 再生裝置[2]。天然氣脫水裝置主要參數(shù)為貧液三甘醇入塔溫度、富液三甘醇液位、產(chǎn)品氣露點等，而TEG 再生裝置主要參數(shù)則是三甘醇再生過程中閃蒸罐、TEG 過濾器、板式換熱器、重沸器、緩沖罐、TEG循環(huán)泵等各個部位的參數(shù)。整個過程TEG 吸收塔既是TEG 再生的起點，也是TEG 再生后的終點，表明三甘醇脫水流程是一個相對封閉的循環(huán)流程，所以整個流程中每一項TEG 參數(shù)都存在一定的聯(lián)系。

1.2 TEG再生工藝分解

TEG 循環(huán)再生的過程總體可以歸結(jié)為使高壓富液三甘醇經(jīng)歷減壓分離過濾升溫的過程，溫度、液位是運行的關(guān)鍵控制參數(shù)，再生流程中所有的PID 控制閥均為溫度和液位的聯(lián)鎖閥門。流程中三甘醇經(jīng)歷了富液精餾柱盤管、貧富液板式換熱器、三甘醇緩沖罐、管殼式干氣貧液換熱器等四處主要換熱設(shè)備，重沸器一處直燃式火管加熱[3]。重沸器燃料氣控制采用PID 控制，爐內(nèi)三甘醇溫度相對穩(wěn)定。整個三甘醇再生流程中TEG 吸收塔、閃蒸罐、富液精餾柱等三處設(shè)備是三甘醇與其他流程存在的連通的通道，即三甘醇在正常運行中存在損耗可能的場所。

1.3 工藝參數(shù)的關(guān)聯(lián)性

天然氣脫水工藝采用三甘醇主要因素是因其良好的親水性、穩(wěn)定性，吸收塔內(nèi)再生后貧液三甘醇含水率越低，其脫水效果將越好[4]。三甘醇主要的再生原理是利用甘醇與水的沸點差，所以在三甘醇再生流程中吸收塔內(nèi)低溫的富液三甘醇需經(jīng)過富液精餾柱盤管、貧富液板式換熱器、三甘醇緩沖罐三處換熱升溫，重沸器直接加熱，以確保流動的三甘醇內(nèi)充分的吸熱再生質(zhì)量，所以三甘醇再生流程的溫度變化與產(chǎn)品氣露點具有一定關(guān)聯(lián)性。三甘醇循環(huán)流程中緩沖罐液位能夠直接反應(yīng)再生流程三甘醇的量，其液位的遞減率能夠反應(yīng)三甘醇損耗情況，是三甘醇異常損耗和嚴(yán)重發(fā)泡最直接的判斷，液位變化與流程三甘醇品質(zhì)具有一定關(guān)聯(lián)性[5]。

2 運行參數(shù)動態(tài)分析

2.1 建立運行參數(shù)動態(tài)分析趨勢圖

以站控系統(tǒng)為平臺，將TEG 脫水裝置運行采集到系統(tǒng)的溫度、液位生成實時趨勢圖像，將溫度參數(shù)、液位產(chǎn)數(shù)擬合在同一坐標(biāo)系中。擬圖坐標(biāo)系中將所有參數(shù)均采用同一時間X軸，設(shè)置時間間隔調(diào)整、歷史調(diào)取、顏色標(biāo)注、標(biāo)尺對比等功能。Y 軸將溫度、液位、壓力等不同性質(zhì)的參數(shù)分開設(shè)置，縱向上保留一定空白距離。每一項參數(shù)均有選定顯現(xiàn)和取消隱藏功能，確保圖系界面的整潔性。整個坐標(biāo)圖因各屬性參數(shù)變化幅度存在差異，所以應(yīng)設(shè)置局部縮放功能，便于從細微處觀察參數(shù)的動態(tài)變化。

因設(shè)計理念因素，三甘醇循環(huán)流程部分參數(shù)量值只設(shè)置就地顯示功能，無法使用站控系統(tǒng)生成相應(yīng)的趨勢圖和實時數(shù)據(jù)變化值，此類數(shù)據(jù)場站管理人員應(yīng)編制專用的記錄本，安排巡檢記錄人員按一定周期現(xiàn)場錄取，錄取中應(yīng)按儀表顯示量程規(guī)范錄取。場站管理和技術(shù)人員在利用坐標(biāo)圖做動態(tài)分析時，應(yīng)合理的選用一些參數(shù)錄入電子表格中生產(chǎn)曲線，輔助分析。

2.2 多點位運行參數(shù)變化的故障判斷

三甘醇脫水系統(tǒng)是一個相對封閉的循環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)部存在著動態(tài)的物料平衡[6]。當(dāng)一定量外部物料介入就會動搖或者打破這種平衡，相應(yīng)參數(shù)動態(tài)趨勢就會出現(xiàn)以下變化。例如當(dāng)天然氣管輸流量出現(xiàn)大幅度上漲，攜帶過量的液體進入吸收塔，吸收塔液位趨勢圖將出現(xiàn)一個明顯的波峰，相應(yīng)的閃蒸罐液位也會因吸收塔富液出口調(diào)節(jié)閥閥位開度的增加而瞬間性上漲，趨勢圖出現(xiàn)明顯拐點，進入三甘醇再生流程的液體會極快的與三甘醇相溶，造成重沸器溫度瞬間下降。若天然氣攜液過多超過再生系統(tǒng)凈化量時還會在同時間造成緩沖罐液位的瞬間上升。從系統(tǒng)多參數(shù)擬合的坐標(biāo)圖可以很明顯的觀察到吸收塔液位、閃蒸罐液位、重沸器溫度、緩沖罐液位在同一時間出現(xiàn)拐點，整個循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)同時出現(xiàn)波動，表明正常生產(chǎn)運行的動態(tài)平衡收到外來物料的破壞，而瞬間恢復(fù)則是因為外來物料數(shù)量在系統(tǒng)處理能力內(nèi)，若重沸器溫度和緩沖罐液位均持續(xù)性變化，則表示外來物料對三甘醇循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大破壞，需要場站管理人員采取相應(yīng)措施，阻止外來物料的跡象進入和輔助循環(huán)系統(tǒng)恢復(fù)。因此值班人員應(yīng)在第一時間切斷外來物料進入三甘醇再生系統(tǒng)通道，防止整個再生系統(tǒng)癱瘓和三甘醇大量污染。

2.3 單點位運行參數(shù)變化的故障判斷

三甘醇循環(huán)流程為PID 控制模式，系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備出現(xiàn)故障后往往反映在局部，整個系統(tǒng)將不會出現(xiàn)同時間大幅度波動，在多參數(shù)擬合坐標(biāo)圖出現(xiàn)單一參數(shù)波動拐點，則需要從三甘醇循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部分析。

2.3.1 吸收塔液位

吸收塔液位出現(xiàn)瞬間下拐點然后恢復(fù)，表面吸收塔內(nèi)部甘醇總量瞬間減少了，這表面甘醇因發(fā)泡或天然氣流速瞬間變大被攜帶至外輸管線； 吸收塔液位出現(xiàn)瞬間上拐點然后恢復(fù)，則可能是天然氣攜帶少量液體進入，由富液出口PID 調(diào)節(jié)閥進行了控制。若吸收塔液位持續(xù)性下降或上升，則為富液富液出口PID 調(diào)節(jié)閥故障或吸收塔本身故障，需采取脫水單元盡快停產(chǎn)處置。

2.3.2 閃蒸罐液位

閃蒸罐液位單一的出現(xiàn)持續(xù)性上升或間斷性上升均表明下游流程存在堵塞，應(yīng)盡快檢查TEG 過濾器是否堵塞；閃蒸罐液位液位出現(xiàn)瞬間下拐點然后恢復(fù)，則反映吸收塔來液可能進入閃蒸氣流程排出，三甘醇應(yīng)發(fā)泡較嚴(yán)重；若閃蒸罐液位持續(xù)性下降，則可能是下游PID 調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障或調(diào)節(jié)閥旁通閥意外開啟。

2.3.3 重沸器溫度

重沸器溫度出現(xiàn)了持續(xù)性或短暫下降因素為進入甘醇含水過高或者供熱不足，兩方面因素都為設(shè)備本身問題，需對設(shè)備進行檢查。

2.3.4 緩沖罐液位

緩沖罐液位為三甘醇循環(huán)系統(tǒng)總量的體現(xiàn)，若以天為單位出現(xiàn)緩慢持續(xù)性下降則為甘醇損耗，需對流程三甘醇進行化驗檢查。若短時間下降則有可能是罐內(nèi)發(fā)生氣堵現(xiàn)象或汽提柱鹽結(jié)晶，需立刻排氣驗證或檢查重沸器液位，若短時間迅速上升則需要檢查重沸器參數(shù)和設(shè)備是否正常[7]。

2.4 換熱器運行參數(shù)故障判斷

貧液、富液進入換熱器前溫度和流程換熱器溫度的差值代表著換熱器的效率。

2.4.1 貧富液換熱器

通過貧富液換熱前后4項溫度動態(tài)曲線對比，高溫和低溫曲線跨度明顯，富液流程壓力高于貧液流程壓力，若高溫和低溫在長時間的運行中跨度有越來越小的趨勢，則表明換熱效率降低，換熱器內(nèi)可能存在活性炭濾芯的濾渣、油泥、鹽結(jié)晶等雜質(zhì)，需將清洗換熱器納入檢修計劃[8]。若換熱后貧液溫度突然下降、換熱后富液溫度突然上升，則可能是換熱板出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象，可通過后續(xù)重沸器溫度、燃氣調(diào)節(jié)閥閥開度變化趨勢和換熱器試壓進行驗證。

2.4.2 三甘醇緩沖罐

緩沖罐至重沸器溫度下降表面內(nèi)部盤管換熱效率降低，可能是盤管表面有雜質(zhì)、鹽結(jié)晶、碳化物等附著降低換熱效率[9]。

3 運行參數(shù)動態(tài)分析在故障診斷應(yīng)用

3.1 重沸器溫度持續(xù)下降實例

2020年4月11日，紫金壩集氣增壓脫水站重沸器溫度在14:12時刻持續(xù)下降，截止18:23溫度由192℃降至168℃，站內(nèi)管理人員在檢查燃氣壓力和閥位開度無異常后認為有水進入重沸器，打開重沸器壓力表排放口有較多水蒸氣排查，此原因分析得到驗證。

夜間20:30 通過汽提作用將溫度恢復(fù)至185℃，但是汽提一停溫度將會持續(xù)下降，管理人員認為進入水分較多，于是停止了最近的YS112H7兩口井泡排，持續(xù)進行汽提排水升溫，截止4月14日，重沸溫度在汽提停下后下降至165℃。作業(yè)區(qū)管理人員將脫水流程吸收塔液位、閃蒸罐液位、重沸器溫度、緩沖罐液位、產(chǎn)品氣露點、貧富液換熱前后溫度等參數(shù)十天內(nèi)的動態(tài)曲線擬合在坐標(biāo)系內(nèi)，顯示吸收塔和閃蒸罐液位十天內(nèi)無異常變化，重沸器溫度不是瞬間下降可以判斷不是天然氣攜液進入；貧富液換熱后溫度無異常變化，貧液換熱前溫度有所下降；緩沖罐至重沸器溫度下降2～3℃；產(chǎn)品氣露點在重沸器溫度下降時段內(nèi)露點值有小幅度上升趨勢，曲線趨勢和重沸器溫度變化趨勢大致一樣，表面進入吸收塔內(nèi)貧液甘醇含水率上升，品質(zhì)下降。

分析認為重沸器溫度下降為TEG 再生流程設(shè)備故障，排除外來因素，主要故障點應(yīng)在重沸器內(nèi)部，對重沸器流程分析可知精餾柱頂部盤管內(nèi)介質(zhì)為低溫甘醇，有可能盤管泄漏導(dǎo)致重沸器低溫，現(xiàn)場人員打開精餾柱頂部盤管旁通閥門后重沸器溫度在2小時之內(nèi)由169℃上漲至193℃，溫度恢復(fù)正常。詢問現(xiàn)場值班人員可知，因4月11日前天氣降溫較大，貧液入泵下降較多，2:10操作人員將精餾柱旁通閥門全關(guān)以提升整個系統(tǒng)溫度，溫度下降原因得出。

后面再次關(guān)閉精餾柱旁通閥門，重沸器溫度仍舊持續(xù)下降，判斷精餾柱頂部盤管泄漏，低溫富液三甘醇直接流入重沸器導(dǎo)致溫度驟降無法恢復(fù)。

4 結(jié)語

(1)在天然氣脫水站中三甘醇脫水裝置是一個處于動態(tài)平衡的系統(tǒng)，每一項參數(shù)變化都存在著相應(yīng)的聯(lián)系，應(yīng)對各個參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系進行認真的分析，形成相應(yīng)材料用于培訓(xùn)和值班人員處置指導(dǎo)。

(2)對三甘醇循環(huán)流程各項關(guān)鍵參數(shù)的動態(tài)分析是了解整個裝置運行狀況較好的手段，應(yīng)建立合理的分析制度和分析時段，形成站隊、班組、作業(yè)區(qū)等不同層級的分析，提前對潛在異常及時發(fā)現(xiàn)，為停產(chǎn)檢修項目確定提供依據(jù)。

(3)建立三甘醇脫水裝置重要工藝參數(shù)全擬合的坐標(biāo)動態(tài)曲線有利于監(jiān)控人員提早的發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)異常，為故障處理爭取時間，對安全生產(chǎn)意義重大

(4)三甘醇脫水裝置內(nèi)設(shè)備運行參數(shù)能夠反應(yīng)設(shè)備運行狀態(tài)和功效，所以在設(shè)計階段應(yīng)更多的考慮數(shù)據(jù)遠程接入站控系統(tǒng)，建立豐富的數(shù)據(jù)庫。